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Lycée La Fayette

La chaîne d’énergie

1 Diagramme fonctionnel d’un système technique local ................................................................................. 2

2 Les fonctions de la chaîne d’énergie .............................................................................................................. 3

3 Alimenter en énergie...................................................................................................................................... 5

4 Stocker l’énergie............................................................................................................................................. 5

5 Protéger.......................................................................................................................................................... 6

6 Convertir l’énergie :........................................................................................................................................ 6

6.1 Actionneurs linéaires ( obtenir un mouvement de translation) ............................................................ 6

6.1.1 Mouvement continu : moteur électrique linéaire ......................................................................... 6

6.1.2 Mouvement alternatif : vérins pneumatiques ou hydrauliques .................................................... 6

6.2 Actionneurs rotatifs (obtenir un mouvement de rotation) ................................................................... 7

6.2.1 Mouvement rotatif alternatif : vérin rotatif................................................................................... 7

6.2.2 Mouvement rotatif continu : moteur électrique ........................................................................... 7

6.2.3 Mouvement rotatif continu : moteur pneumatique à palettes..................................................... 8

7 Convertir l’énergie mécanique en énergie électrique :Génératrice .............................................................. 8

8 Convertir l’énergie électrique en énergie thermique: résistance chauffante .............................................. 8

9 Convertir l’énergie électrique en énergie lumineuse: ampoule, led….......................................................... 9

10 Moduler l’énergie( piloter l’énergie) : Pré-actionneurs............................................................................. 9

10.1 Technologie électrique : relais ............................................................................................................... 9

10.2 Technologie pneumatique : distributeur ............................................................................................... 9

Commande d’un vérin à double effet par un distributeur 5/2 (5 orifices, 2 positions)............................... 10

10.3 Technologie hydraulique : électrovanne.............................................................................................. 10

11 Moduler l’énergie( varier l’énergie) : Pré-actionneurs ............................................................................ 11

11.1 Variateur mécanique............................................................................................................................ 11

11.2 Variateur électrique ............................................................................................................................. 11

12 Moduler l’énergie ( réguler ou asservir) .................................................................................................. 11

13 Transmettre l’énergie pour agir sur la matière d’œuvre : Effecteurs...................................................... 12

13.1 Réducteur à engrenage cylindrique ..................................................................................................... 12

13.2 Réducteur à roue et vis sans fin ........................................................................................................... 13

13.3 Train d’engrenages ............................................................................................................................... 13

13.4 Transmission par courroie.................................................................................................................... 14

13.5 Transmission par chaîne....................................................................................................................... 14

13.6 Transmission par roue de friction ........................................................................................................ 14

13.7 Groupement de réducteurs.................................................................................................................. 14

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1 Diagramme fonctionnel d’un système technique local

Energie

finale du

système

global

Alimenter Moduler Convertir Transmettre

Produire

localement

Stocker Protéger

Matière d’œuvre

sortante

Matière d’œuvre

entrante

Agir

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Exemple : variateur électrique

Exemple :Distributeur pneumatique, Contacteur électrique, Vanne hydraulique

Cas particulier qui décrit une source d’énergie disponible à l’entrée du système isolé, sans tenir compte de la production de cette énergie.

Exemples : transformateur électrique, régulateur pneumatique…

Exemple : Régulateur électrique

Fonction principale du système qui délivre l’énergie utile.

Exemples : générateur électrique (méca/élec), générateur thermique (élec/thermique), générateur de lumière (élec/lumière)…

2 Les fonctions de la chaîne d’énergie

Alimenter

Nature

d’énergie

de type A

Nature

d’énergie

de type A

Pertes

d’énergie

Nature

d’énergie

de type A

Nature

d’énergie

de type A

Pertes

d’énergie

Moduler (varier)

Nature

d’énergie

de type A

Nature

d’énergie

de type A

Pertes

d’énergie

Moduler (piloter)

Nature

d’énergie

de type A

Nature

d’énergie

de type A

Pertes

d’énergie

Moduler (réguler ou

asservir)

Nature

d’énergie

de type A

Nature

d’énergie

de type B

Pertes

d’énergie

Convertir

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Fonction particulière du système local protégeant les personnes et les biens de la dangerosité des énergies par rupture ou dérivation du flux d’énergie. Cette fonction n’induit généralement pas de pertes.

Exemples : disjoncteur électrique, sectionneur

Cas particulier d’un transformateur qui permet de stocker de l’énergie (en changeant ou non de nature).

Exemples : réservoir hydraulique, super condensateur, ressort, ballon d’eau chaude…

Cette fonction permet le transfert et l’adaptation d’une énergie, souvent du convertisseur vers l’effecteur.

Exemples : transmission mécanique (arbres, réducteurs, embrayages, accouplements,

Fonction particulière du système local qui assure une production d’énergie locale pour un système en site isolé ou totalement autonome.

Exemples : unité photovoltaïque sur borne d’éclairage solaire …

Source

d’énergie

Energie

finale

Pertes

d’énergie

Produire

localement

Nature

d’énergie

de type A

Nature

d’énergie

de type A

Secours

Protéger

Nature

d’énergie

de type A

Nature

d’énergie

de type A

Pertes

d’énergie

Nature

d’énergie

de type B

ou Stocker

Transmettre

Nature

d’énergie

de type A

Nature

d’énergie

de type A

Pertes

d’énergie

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Annexes : Association entre sous ensembles fonctionnels et fonctions techniques :

3 Alimenter en énergie

On parlera d’alimentation locale quand l’utilisation d’accumulateurs, les piles …sera exploitée. Elle concerne

donc plus particulièrement les systèmes à énergie embarquée.

4 Stocker l’énergie

Le stockage de l’énergie est directement lié à l’autonomie d’un produit. La quantité d’énergie stockée et la

fréquence de rechargement sont les principaux critères de choix de cet organe.

• Stockage mécanique : ressort ou par énergie potentielle

• Stockage pneumatique : par accumulateur ( réservoir sous pression)

• Stockage hydraulique : par énergie potentielle (principe des barrages)

• Stockage électrique : par condensateur, ou par batterie rechargeable ( Li Po, MiNh, NiCd). Le problème

des batterie NiCd est de devoir vider l’énergie résiduelle avant le rechargement.

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5 Protéger

Le but de cet organe est de protéger les personnes et/ou les biens de toute « dérive du flux d’énergie ».

En pneumatique

soupape :limiter

la pression

sectionneur : couper

l’énergie

En électricité

disjoncteur fusible :

limiter le courant

sectionneur : couper

l’énergie

Disjoncteur

différentiel:

protection contre le

courant de court-

circuit (surcharge

forte)

6 Convertir l’énergie :

6.1 Actionneurs linéaires ( obtenir un mouvement de translation)

6.1.1 Mouvement continu : moteur électrique linéaire

Utilisations : trains à propulsion magnétique ;

actionneurs de tables de machines-outils à

grandes vitesses.

6.1.2 Mouvement alternatif : vérins pneumatiques ou hydrauliques

Les pièces constituant le vérin sont symétriques de révolution. Soit p la pression d’alimentation (mesurée par

rapport à la pression atmosphérique), D le diamètre du piston et d celui de la tige.

N.B. : l’unité de pression du système international est le Pascal noté Pa, et 1 Pa=1N/m².

On utilise aussi le bar : 1 bar =105 Pa.

La force délivrée par le fluide au piston pour sortir la tige vaut 4

D..pF

2

s π=

La force délivrée par le fluide au piston pour rentrer la tige vaut 4

dD..pF

22

r

−= π

Simple effet : ce vérin ne peut développer un effort Double effet : ce vérin peut exercer un effort dans

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que dans un seul sens : la sortie de la tige. La rentrée

de la tige s’effectue grâce au ressort de rappel.

les deux sens de fonctionnement :

6.2 Actionneurs rotatifs (obtenir un mouvement de rotation)

6.2.1 Mouvement rotatif alternatif : vérin rotatif

6.2.2 Mouvement rotatif continu : moteur électrique

Utilisations extrêmement vastes : entraînement en rotation de machines industrielles, de transports, de biens

de consommation, etc…

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Principe de fonctionnement :

Les moteurs électriques les plus utilisés utilisent la force de Laplace : « lorsqu’un conducteur électrique

parcouru par un courant, coupe un flux magnétique, il génère une action mécanique »

On distingue différentes familles de moteurs électriques, suivant le type de courant utilisé, et la manière dont

le flux magnétique est généré :

� moteur courant continu ;

� moteur synchrone

� Moteur pas à pas

� moteur asynchrone ;

Les moteurs électriques fournissent des mouvements de rotation rapides (de 1500 à 100000 tours par

minute), mais de couple souvent trop faibles par rapport à la charge (quelques 10N.m), ce qui impose

d’intercaler un réducteur entre le moteur et la charge.

6.2.3 Mouvement rotatif continu : moteur pneumatique à palettes

7 Convertir l’énergie mécanique en énergie électrique :Génératrice

Une génératrice de courant continu appelée populairement dynamo est comme beaucoup de générateurs électriques une machine tournante. Cette machine est réversible et peut donc fonctionner en génératrice ou en moteur.

8 Convertir l’énergie électrique en énergie thermique: résistance chauffante

La résistance chauffante permet de transformer l’énergie électrique en énergie

thermique

exemple d’un thermoplongeur dans une machine à laver le linge

Ce type de moteur fournit des mouvements de

rotation rapides (de 1000 à 100000 tours par

minute), mais de couple faible (quelques N.m).

Principe et photo d’un moteur à courant continu

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9 Convertir l’énergie électrique en énergie lumineuse: ampoule, led…

Composées de souvent plusieurs diodes électroluminescentes haute

luminosité, d'une durée de vie très importante (50 000 heures) les

lampes à diodes commencent à remplacer les lampes à incandescence

dans l'éclairage portatif et pour la signalisation. Leur coût encore élevé,

la nécessité de l'emploi d'alimentation électrique spécifique (courant

continu de basse tension) et leur rendement lumineux encore modeste

(50 lm/W pour les meilleures sources) limitent encore leur

démocratisation face aux lampes à filaments. Aujourd'hui la diode a

majoritairement remplacé la lampe a incandescence par exemple sur les

voitures de luxe et de dernières générations. C'est d'autant plus vrai que

les nouvelles lampes portatives sont aujourd'hui vendues uniquement en LED ce qui permet une meilleure

autonomie et longévité. De plus, ces lampes ont une consommation 40% inférieure à celles incandescentes.

10 Moduler l’énergie( piloter l’énergie) : Pré-actionneurs

Aux ordres de commande, ils distribuent l’énergie à l’actionneur. Leur technologie est donc imposée par celle

de l’actionneur.

10.1 Technologie électrique : relais

C’est un interrupteur qui distribue (pilote) l’énergie électrique à un actionneur électrique sur un ordre

électrique de faible puissance émis par la Partie Commande (PC).

Principe : une bobine reçoit l’ordre électrique émis par la PC. Il en découle une force électromagnétique, qui

déplace une lame conductrice, ce qui ferme un interrupteur, laissant passer la puissance vers l’actionneur.

10.2 Technologie pneumatique : distributeur

C’est une vanne qui distribue l’énergie pneumatique à un actionneur pneumatique sur un ordre électrique

(ou parfois pneumatique) de faible puissance.

Principe : une bobine reçoit l’ordre électrique émis par la PC. Il en découle une force électromagnétique, qui

déplace un élément appelé tiroir, qui peut coulisser dans le corps du distributeur. Selon sa position, ce tiroir

met en communication les différents orifices du distributeur, laissant passer l’air comprimé vers l’actionneur.

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Commande d’un vérin à double effet par un distributeur 5/2 (5 orifices, 2 positions)

Représentation symbolique normalisée :

Le distributeur peut être commandé par un ordre pneumatique, électrique, ou les deux :

Pour commander un vérin simple effet, un

distributeur 3/2 (3 orifices, 2 positions), est

nécessaire :

Ces distributeurs et ces vérins pneumatiques

fonctionnent en Tout Ou Rien, c’est à dire que l’ordre

est binaire, et ne peut être que « rentrer la tige » ou « sortir la tige ».

On ne peut donc pas demander de positionnement ni de vitesse précis en technologie pneumatique.

10.3 Technologie hydraulique : électrovanne

C’est une vanne qui distribue l’énergie hydraulique à un actionneur hydraulique sur un ordre électrique de

faible puissance. Le principe est le même que celui d’un distributeur.

Les 5 orifices du distributeur sont numérotés :

1 est l’alimentation sous pression, 3 et 5 sont les

échappements (mise à pression atmosphérique), 2

et 4 sont reliés aux deux chambres du vérin.

La représentation symbolique d’un distributeur

comporte deux cases qui peuvent être actives ou

inactives.

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Intérêt de l’énergie hydraulique : le fluide utilisé est incompressible, ce qui permet de commander

précisément les positions et les vitesses des actionneurs qu’elle contrôle. Ceci nécessite des vannes

proportionnelles, qui laissent passer des débits plus ou moins grands, selon la vitesse demandée.

11 Moduler l’énergie( varier l’énergie) : Pré-actionneurs

11.1 Variateur mécanique

Les variation possibles d’écartement des

poulies motrices et réceptrices permettent de

faire varier la fréquence de rotation de sortie

de ce variateur mécanique

11.2 Variateur électrique

Un variateur de vitessevariateur de vitessevariateur de vitessevariateur de vitesse est un dispositif électronique destiné à commander la vitesse d'un moteur électrique.

Dans un moteur à courant alternatif, la vitesse mécanique du rotor est liée à la

fréquence des courants au stator. Ce lien mathématique rend possible une commande

de la vitesse du rotor par la commande de la fréquence du courant au stator. C'est ce

que l'on appelle la condition de synchronisme qui s'exprime différemment selon que

l'on considère une machine synchrone ou une machine asynchrone.

Ainsi, il existe une relation directe entre le pilotage de la fréquence du courant au stator

et la vitesse mécanique du rotor qui permet, pour toute vitesse mécanique souhaitée,

de fixer la fréquence statorique correspondante. C'est sur ce principe que se base le fonctionnement du

variateur de vitesse : commander une vitesse de rotation mécanique en commandant la fréquence du courant

statorique.

12 Moduler l’énergie ( réguler ou asservir)

Un régulateur de tension, est un organe électrotechnique ou un composant électronique qui

maintient, dans certaines limites, à sa sortie une tension constante, indépendamment, de la

charge et de la tension d'entrée.

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13 Transmettre l’énergie pour agir sur la matière d’œuvre : Effecteurs

Ce terme désigne tout organe de transformation de l’énergie mécanique fournie par l’actionneur, pour la faire

agir sur la matière d’œuvre. Cette transformation peut être un changement de nature du mouvement

(rotation ou translation), ou un changement de vitesse de mouvement, en général pour le ralentir : c’est alors

un réducteur.

13.1 Réducteur à engrenage cylindrique

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13.2 Réducteur à roue et vis sans fin

Avantage : il est particulièrement intéressant pour obtenir des rapports de réduction élevés (une vis à un seul

filet (1 seule rainure hélicoïdale), engrenant avec une roue de 77 dents donne un rapport de réduction de 77)

Inconvénient : pour les rapports de réduction élevés, son rendement est faible.

13.3 Train d’engrenages

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13.4 Transmission par courroie

D

d

dNDN =

13.5 Transmission par chaîne

D

d

dNDN =

13.6 Transmission par roue de friction

21

12

rr

NN =

13.7 Groupement de réducteurs

Le réducteur 1 peut être muni d’un train d’engrenages, le réducteur 2 de courroies et le réducteur 3 d’une

transmission par chaîne.

a

Ns Ne

θd

θD

∅d ∅D

r1

r2